Nghiên cứu cơ sở và phương pháp xây dựng đường trữ nước tiềm năng để nhận dạng lũ lớn đến hồ trên lưu vực sông Hồng

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu xác định mối quan hệ nhân quả về lượng trữ, lượng mưa, hình thế thời tiết là các nhân tố đầu vào để nhận dạng lũ lớn trên lưu vực sông Hồng thông qua đường lượng trữ trên lưu vực. Nhận dạng sớm lũ lớn, độ lớn của lũ đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết các hồ chứa đảm bảo phòng chống lũ hạ lưu đồng bằng sông Hồng đồng thời có thể nâng cao mực nước hồ hướng tới sử dụng hiệu quả nguồn nước.

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRỮ NƯỚC TIỀM NĂNG ĐỂ NHẬN DẠNG LŨ LỚN ĐẾN HỒ TRÊN LƯU VỰC SÔNG HỒNG Trịnh Thu Phương(1), Lương Hữu Dũng(2) Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia (2) Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi Khí hậu (1) Ngày nhận bài: 17/9/2020; ngày chuyển phản biện: 18/9/2020; ngày chấp nhận đăng: 05/10/2020 Tóm tắt: Trên lưu vực sơng Hồng, đợt mưa vừa nhỏ có khả gây đợt lũ lớn mà chủ yếu tham gia hình thành lượng trữ nước lưu vực Lũ lớn thượng lưu sơng Hồng nhận dạng sơ dựa đường trữ nước lưu vực kết hợp với dấu hiệu xuất loại hình thời tiết điển hình gây mưa lớn Bắc Bộ Lượng trữ nước lưu vực có xu tăng từ đầu tháng đến hết đầu tháng 8, sau có xu hướng giảm Bài báo trình bày kết nghiên cứu xác định mối quan hệ nhân lượng trữ, lượng mưa, hình thời tiết nhân tố đầu vào để nhận dạng lũ lớn lưu vực sông Hồng thông qua đường lượng trữ lưu vực Nhận dạng sớm lũ lớn, độ lớn lũ đóng vai trị quan trọng việc điều tiết hồ chứa đảm bảo phòng chống lũ hạ lưu đồng sơng Hồng đồng thời nâng cao mực nước hồ hướng tới sử dụng hiệu nguồn nước Từ khóa: Đường trữ nước, Nhận dạng lũ lớn Hệ thống hồ chứa lớn vai trò phịng chống lũ cấp nước hạ lưu sơng Hồng Trên thượng lưu lưu vực sông Hồng xây dựng hệ thống hồ chứa hỗn hợp đa mục tiêu lớn nước gồm: Lai Châu, Sơn La Hòa Bình sơng Đà, Bản Chát Huội Quảng sông Nậm Na, Tuyên Quang sông Gâm, Thác Bà sơng Chảy Tổng dung tích phịng chống lũ hồ lưu vực 8.450 triệu m3, hồ Sơn La hồ Hịa Bình 07 tỷ m3, hồ Tuyên Quang 01 tỷ m3, hồ Thác Bà 450 triệu m3 [4, 5] Chế độ vận hành hồ chứa tuân theo Quyết định Thủ tướng Chính phủ Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sơng Hồng [4] Vai trị cắt giảm lũ hệ thống hồ chứa thượng lưu sông Hồng thể rõ 20 năm gần Mực nước hạ lưu sông Hồng trạm Hạ Nội mùa lũ vụ thấp, vượt BĐ II có năm (2001, 2002, 2004) Từ năm Liên hệ tác giả: Trịnh Thị Thu Phương Email: trinhphuong2010@gmail.com 2009-2019, mực nước lũ Hà Nội BĐ I Đặc biệt năm 2011, mực nước đỉnh lũ năm Hà Nội mức thấp lịch sử quan trắc, đạt 4,76 m Trước năm 2007, nhiều trận lũ, hồ Hịa Bình Thác Bà cắt giảm đỉnh lũ năm Hà Nội từ 0,15-0,97 m Khi thủy điện Tuyên Quang vào vận hành (năm 2007), hệ thống hồ chứa (Hịa Bình, Thác Bà Tuyên Quang) cắt giảm mực nước đỉnh lũ năm Hà Nội từ 1,5-2,2 m Khi hồ Sơn La hoạt động, hệ thống hồ chứa cắt giảm mạnh mực nước đỉnh lũ năm Hà Nội (từ 1,5-4,2 m) (Hình 1) Ngồi vai trị giảm lũ, hệ thống hồ chứa lớn lưu vực sơng Hồng có vai trị quan trọng cấp nước hạ du mùa cạn, đặc biệt năm hạn hán, thiếu nước nghiệm trọng năm 1993-1994, 1994-1995, 1998-1999, 2003-2004, 2004-2005, 2009-2010 hồ chứa lớn cung cấp thêm lượng nước lớn cho hạ du sơng Hồng Hồ Hịa Bình cấp thêm cho hạ du từ 0,5-3,5 tỷ m3, hồ Thác Bà cấp thêm từ 0,2-1,5 tỷ m3, hồ Tuyên Quang khoảng 0,3-0,5 tỷ m3 so với nguồn dịng chảy tự nhiên TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 16 - Tháng 12/2020 Phân phối tổng lượng dòng chảy Sơn Tây mùa lũ mùa cạn có thay đổi rõ rệt: Thời kỳ chưa có hệ thống hồ chứa lớn thượng nguồn (từ 1960-1972), tổng lượng dòng chảy mùa lũ Sơn Tây khoảng 90 tỷ m3, mùa cạn khoảng 28 tỷ m3 [2] Từ có hồ Thác Bà, Hịa Bình, tổng lượng dịng chảy mùa lũ Sơn Tây giảm 77 tỷ m3 có thêm Tuyên Quang, Sơn La, tổng lượng giảm xuống 62 tỷ m3 (Hình 3a), tổng lượng dịng chảy mùa cạn tăng lên tương ứng 30 tỷ m3 33 tỷ m3 [2] Hình Sơ đồ hệ thống hồ chứa lớn sơng Hồng [2] Hình Mực nước lớn Hà Nội thực đo hồn ngun từ năm 1993-2019 TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 16 - Tháng 12/2020 (a) (b) Hình Tổng lượng dịng chảy mùa lũ mùa cạn Sơn Tây qua thời kỳ Trong vận hành liên hồ chứa chống lũ, với việc quy định vận hành nay, hồ chứa Sơn La, Hịa Bình, Thác Bà Tun Quang phải để trống lượng dung tích lớn để cắt giảm lũ cho hạ du, mực nước hạ lưu sông Hồng trạm Hà Nội mùa lũ vụ thấp, phổ biến mức báo động I Theo Quy định Quy trình, thời kỳ cuối mùa lũ (từ 22/8-30/9) hồ phép tích dần đến mực nước dâng bình thường, nhiên năm lũ nhỏ hồ không đạt, nhiều năm phải hạn chế phát điện tích nước đầy hồ Điều gây ảnh hưởng đến cấp nước, trì dịng chảy hệ thống mùa cạn Bên cạnh đó, nhiều năm xuất lũ muộn hồ chứa tích đầy khơng cịn đủ dung tích để cắt lũ, lưu lượng lũ đến vượt lưu lượng tối đa phát điện hồ, gây lúng túng công tác điều hành hồ, phịng chống lũ Như vậy, thơng tin nhận biết sớm lũ lớn đến hệ thống hồ chứa sông Hồng, đặc biệt hệ thống hồ chứa sông Đà (có nguồn nước lũ chiếm khoảng 45% dịng chảy lũ sông Hồng) cần thiết để tạo sở thiết yếu lập phương án vận hành hồ chứa mùa lũ Đồng thời, huy động linh hoạt dung tích hồ chứa phù hợp đảm bảo tận dụng nguồn nước, tránh lãng phí nguồn nước phải xả thừa có kế hoạch tích sớm, hạn chế khả khơng tích nước đầy hồ mà đảm bảo phịng chống lũ hạ du sơng Hồng, bảo vệ an tồn cho thủ Hà Nội, đồng thời trữ nước phục vụ cấp nước cho mùa khô Cơ sở khoa học nhận dạng lũ lớn lưu vực sơng Hồng Q trình hình thành lũ kết hợp cộng hưởng nhiễu động thời tiết gây mưa điều tiết đặc thù mặt đệm lưu vực Trong trình hình thành, phận nước mưa giữ lại bề mặt lưu vực thời gian dài ngắn khác phụ thuộc vào đặc tính lưu vực hình dạng, địa hình, thảm phủ thực vật, độ dốc, thổ nhưỡng, địa chất [1] Đối với lưu vực lớn, trận mưa vừa nhỏ chủ yếu tham gia vào hình thành lượng trữ nước lưu vực chưa đủ lượng nước bổ sung hiệu để hình thành rõ rệt đợt lũ lớn lưu vực Lượng trữ nước lưu vực đóng vai trị nước gốc lưu vực Khi hình thành đợt mưa lớn, lũ lớn xuất lưu vực Quá trình diễn biến đường lượng trữ nước theo thời gian lưu vực đường trữ nước tiềm lưu vực Khác với nhân tố khí tượng bão, áp thấp nhiệt đới, khơng khí lạnh, dải hội tụ nhiệt đới, cao áp Thái Bình dương, xốy thuận mang nhiều yếu tố ngẫu nhiên, nước gốc lưu vực mang tính q trình xác định được sớm dựa liệu quan trắc mưa lũ [1] Đường trữ nước tiềm lưu vực hồ chứa sông Đà (Lai Châu, Sơn La Hịa Bình) xây dựng dựa tổ hợp số liệu dòng chảy từ năm 1961-2011 Những năm lũ lớn lựa chọn năm có đỉnh lũ lớn trung bình nhiều năm (TBNN) Vẽ chồng chập TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 16 - Tháng 12/2020 đường trình lũ thời đoạn ngày từ tháng 6-9 lên biểu đồ Đường trữ nước tiềm xây dựng dựa đường bao chân lũ tập hợp trình năm lũ có đỉnh lũ năm lớn TBNN Đường trữ nước tiềm qua tập hợp đường trình chân lũ năm lũ lớn có xu hướng tăng dần từ tháng đến tháng sau giảm dần Thiết lập mối quan hệ chân (giá trị thấp trung bình xu thế) lưu lượng trung bình ngày đường lũ lớn số ngày thời kỳ lũ vụ tính từ ngày 1/6, thể Hình (a1) (a2) (b) (c) (d) (e) Hình Mối quan hệ đường trữ nước tiềm lưu vực hồ chứa Lai Châu, Sơn La, Hịa Bình số ngày mùa lũ vụ TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 16 - Tháng 12/2020 Khi tổng lượng mưa thời kỳ dài lưu vực đủ lớn, đường lũy tích lượng trữ nước lưu vực thể khả trữ nước lưu vực trình trữ nước tiềm có phương trình dạng đa thức: - Đường trữ nước đến hồ Lai Châu: W(t) = 0.00000565t5 - 0.00083749t4 + 0.02625280t3 + 0.75392870t2 - 9.33655795t + 95.13778715 - Đường trữ nước đến hồ Sơn La: W(t) = 0.00067446t4 - 0.12427460t3 + 6.92010271t2 - 63.53304980t + 445.01825186 - Đường trữ nước đến hồ Hịa Bình: W(t) = 0.00054888t4 - 0.11367545t3 + 7.00117184t2 - 60.04944149t + 337.21249052 - Đường trữ nước đến hồ Tuyên Quang: W(t) = 0.00386854t3 - 0.36656257t2 + 15.72622859t + 78.00604095 - Đường trữ nước đến hồ Thác Bà: W(t) = -0.03298084t2 + 5.88453520t + 34.07469118 Trong đó: W(t): lưu lượng lũ biến đổi theo thời gian; T: khoảng thời gian tính ngày so với thời điểm mốc ngày 1/6 Tại thời điểm định trục thời gian sau ngày 1/6, trường hợp lượng mưa tích lũy lưu vực thời kỳ qua đáp ứng lượng trữ lưu vực, kết hợp với hình thời tiết bất lợi có khả phát sinh lũ lớn Sự phân kỳ dịng chảy lưu vực sơng Hồng chia giai đoạn lũ sớm, lũ vụ lũ muộn, thời kỳ lũ vụ từ 19/7-21/8 thời kỳ mưa lũ lớn nhất, lũ lớn thường xuyên xuất Đường trữ nước tới hồ chứa lưu vực sơng Đà có xu tăng từ ngày 1/6 có xu giảm khoảng sau ngày 21/8, rõ rệt lưu vực sông Gâm sông Chảy; đường trữ nước lưu vực sơng Chảy có xu tăng khơng rõ ràng nửa đầu tháng có xu giảm nhanh sớm lưu vực sông Đà, khoảng ngày 17/8 Đường trữ nước tiềm phát triển thời kỳ lũ sớm lũ vụ dấu hiệu sở thể khả nội sinh lũ lớn mức độ điều tiết lưu vực xuất hình thời tiết nguy hiểm gây mưa lớn tồn lưu vực, sử dụng nhận dạng sơ bộ, nhận dạng nhanh cách định tính khả xuất lũ lớn Nhận dạng lũ lớn đến hồ dựa đường trữ nước tiềm hình thời tiết lưu vực sơng Hồng Theo Quy trình, hồ Lai Châu (có dung tích hữu ích 1.702 triệu m3), Bản Chát (có dung tích hữu ích 799,7 triệu m3) khơng quy định dành dung tích để tham gia cắt giảm lũ, mà không làm gia tăng dịng chảy hồ Sơn La Hịa Bình tham gia cắt giảm lũ cho hạ du Trong thời kỳ lũ vụ cao trình mực nước cao trước lũ hồ Sơn La 197,3 m, tương ứng với việc hồ dành khoảng tỷ m3 tham gia cắt lũ; Hồ Hịa Bình mực nước hồ cao trước lũ 101 m, tương ứng với việc hồ dành khoảng tỷ m3 tham gia cắt lũ Từ năm 2015-2018, hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng vận hành thực tế trì mực nước cao nhiều so với mức quy định quy trình thời kỳ lũ vụ lũ muộn năm 2015, 2017, 2018 Cơ sở việc vận hành trì mực nước hồ cao Quy định Quy trình dựa trên: - Mực nước lũ sông Hồng Hà Nội chưa đạt mực nước hồ chứa vận hành cắt lũ - Căn Khoản 6, Điều (trong Quy trình số 740 [4]): Trong trường hợp khơng có lũ, tùy theo diễn biến thời tiết mực nước Hà Nội, hồ chứa dâng cao mức Quy định thời kỳ lũ vụ để nâng cao khả cấp nước cho hạ du nâng cao hiệu phát điện Khi dự báo có lũ xảy ra, vận hành hồ chứa đưa mức Quy định thời kỳ lũ vụ Điều có nghĩa nhận định trước lũ có vai trị quan trọng để hồ xả nước lũ để hồ trì mực nước cao phục vụ cấp nước xả nước tạo dung tích nhận định có lũ xảy để tạo dung tích phịng lũ theo quy định Đường trữ nước tiềm lưu vực hồ chứa Lai Châu, Sơn La, Hịa Bình xem điều kiện ban đầu để nhận dạng hình thành lũ lớn Những trận lũ lớn xảy lưu vực sông vào năm 1968, 1971, 1986, 1996, 2008, 2017 có chân lũ nằm đường trữ nước tiềm Tuy nhiên, theo số liệu thực tế khoảng TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 16 - Tháng 12/2020 50 năm gần đây, chiếm tỉ lệ nhỏ năm có lượng trữ nước lưu vực nhỏ, chân lũ nằm đường trữ nước tiềm năng, nhiễu động thời tiết mạnh, gây mưa to dẫn đến lũ lớn hình thành Phân tích tổng hợp liệu 250 trận lũ đến hồ chứa lưu vực sông Hồng từ 19652019 [3] cho thấy hình thời tiết tổ hợp gây mưa lớn, lũ lớn gồm: Rãnh thấp (RT) xoáy thấp (XT), khơng khí lạnh (KKL) kết hợp rãnh thấp xoáy thấp, bão (B) áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) kết hợp với hình thời tiết lưu vực hồ chứa sông Đà, sông Chảy sơng Gâm có xu hướng nhiều chiếm khoảng 50-60% trận lũ Các hình thời tiết đơn lẻ khơng khí lạnh, dải hội tụ nhiệt đới (DHTND), Áp cao (ACTBD) gây lũ khoảng (khoảng 8-15%) so với hình bão, áp thấp nhiệt đới (khoảng 1025%) Hình Khu vực đổ vào đất liền bão gây mưa lớn lưu vực sông Hồng Các trận bão ATNĐ đổ từ Nghệ An, Thanh Hóa đến biên giới Việt - Trung, gây mưa lớn lưu vực sơng Hồng Qua thống kê liệu vị trí đổ bão 40 năm qua với 60 bão ATNĐ tác động tới khu vực phía Bắc gây mưa lớn, lũ lớn, cho thấy, tùy thuộc vào hướng đổ trình di chuyển, tâm mưa di chuyển theo: - Bão ATNĐ đổ vào vùng biên giới Việt - Trung biến thành áp thấp di chuyển theo dọc biên giới đến lưu vực sơng Đà Trong tình mưa bão gây lũ sơng Đà, Thao Lô thượng lưu sông Hồng, song tâm mưa thường xảy lưu vực sông Chảy, lượng mưa phổ biến từ 80-200 mm (Vùng 1) - Bão ATNĐ đổ vào vùng Hải Phòng Quảng Ninh, thường bão tan tàn dư bão lệch phía Bắc, khơng vượt qua Hồng Liên Sơn sang lưu vực sơng Đà Trong tình mưa lớn diện rộng xảy lưu vực sông Lô Thao từ 100-300 mm; Trên sông Đà lượng mưa khơng nhiều (Vùng 2) TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 16 - Tháng 12/2020 - Bão ATNĐ đổ vào vùng Thanh Hóa Ninh Bình - Nam Định, mưa lớn diện rộng xảy khắp lưu vực sông Hồng Tâm mưa xuất vùng Đồng Bắc Bộ, sau dịch chuyển dần lên lưu vực sông Thao sông Đà (lượng mưa từ 70-100 mm) vùng lưu vực hồ Hịa Bình phần lưu vực hồ Sơn La (Vùng 3) - Bão áp thấp nhiệt đới đổ vào vùng Nghệ An - Thanh Hóa di chuyển qua Hịa Bình lên lưu vực sơng Đà, sơng Thao gây mưa lớn tồn lưu vực Tâm mưa vùng Đồng Bắc Bộ hạ lưu kéo dần lên thượng lưu Thông thường, đợt mưa bão theo hướng gây lũ lớn vùng hồ Hòa Bình (sơng Đà) n Bái (sơng Thao) với lượng mưa từ 100-200 mm, vùng hồ Lai Châu, Sơn La thường mưa; vùng sơng Thao n Bái, Phú Thọ (Vùng 4) Những năm xuất lũ lớn vùng hồ Hịa Bình ảnh hưởng mưa từ hồn lưu bão kể tới như: Đợt lũ tháng 9/2007, 7/2011, 10/2017, 7/2018 Bảng Lượng mưa trung bình lưu vực phổ biến lưu vực sơng đợt bão ATNĐ Vùng có vị trí cuối bão Hồ Lai Châu Lưu vực Sông Đà (mm) Lưu vực Sông Thao (mm) Lưu vực Sông Chảy Lưu vực Sông Lô (mm) Lưu vực Sông Gâm (mm) Trạm Yên Bái Hồ Thác Bà Trạm Hàm n Hồ Tun Quang Hồ Sơn La Hồ Hịa Bình